DE3545084A1 - TUNNEL CONSTRUCTION - Google Patents
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Description
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Petromine A/S Kjörboveien 14 1300 Sandvika NorwegenPetromine A / S Kjörboveien 14 1300 Sandvika Norway
PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
Dr.-Ing. von Kreisler 11973
Dr.-lng.K.W. Eishold 11981Dr.-Ing. by Kreisler 11973
Dr.-lng.KW Eishold 11981
Dr.-Ing. K. Schönwald Dr.J.F.Fues Dipl.-Chem. Alek von Kreisler DipL-Chem. Carola Keller Dipl.-Ing. G. Selting Dr. H.-K. WernerDr.-Ing. K. Schönwald Dr.J.F.Fues Dipl.-Chem. Alek von Kreisler DipL-Chem. Carola Keller Dipl.-Ing. G. Selting Dr. H.-K. Werner
DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOFDEICHMANNHAUS AT THE MAIN RAILWAY STATION
D-5000 KDLN 1D-5000 KDLN 1
Sg-Hi/FeSg-Hi / Fe
18. Dezember 1985December 18, 1985
TunnelbauverfahrenTunneling method
Die Erfindung betrifft ein Tunnelbauverfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.The invention relates to a tunneling method according to the preamble of the patent claim.
1515th
Das Vortreiben eines Tunnels verursacht in dem den Tunnel umgebenden Gestein Druckveränderungen und Verformungen. Die Verformungen des Gesteins in den Tunnel hinein betragen bei hartem Gestein normalerweise einige Millimeter, bei weichem Gestein jedoch können die Deformationen mehrere dm betragen. Die Deformationen sind zeitabhängig. Das weiche Gestein verursacht große Deformationen und hohe Belastungen auf die Tunnelabstützung, wenn den Deformationen nicht richtig entgegengewirkt wird. Im modernen Tunnelbau wird dieser Erscheinung durch die Konstruktion der Abstützungen für Tunnel und Kavernen und durch weitere Maßnahmen Rechnung getragen, die in New Austrian Tunneling Method (NATM) zusammengestellt sind.Driving a tunnel causes pressure changes and deformations in the rock surrounding the tunnel. The deformations of the rock into the tunnel are usually several in hard rock Millimeters, but with soft rock the deformations can amount to several dm. The deformations are time-dependent. The soft rock causes great deformations and high loads on the tunnel support, if the deformation is not counteracted properly. In modern tunnel construction this is a phenomenon through the construction of the supports for tunnels and caverns and through other measures which are compiled in the New Austrian Tunneling Method (NATM).
Aus geologisch-technischen und gesteinsmechanischen Grundsätzen ist es bekannt, daß sich die Lasten auf Tunnelabstützungen reduzieren, wenn eine Deformation der abgestützten Gesteinsmasse derart ermöglicht wird, daß die Scherfestigkeit des Gesteins mobilisiert wird.From geological-technical and rock-mechanical principles it is known that the loads are on Reduce tunnel supports if a deformation of the supported rock mass is made possible in such a way that that the shear strength of the rock is mobilized.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tunnelbauverfahren
anzugeben, bei dem die auf die Tunnelabstützung wirkende Last verringert wird.
10The invention is based on the object of specifying a tunneling method in which the load acting on the tunnel support is reduced.
10
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs gelöst.This object is achieved according to the invention with the features of the characterizing part of the patent claim.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Tunnel in weichem Gestein erstellt werden. Dabei wird der Hohlraum zwischen dem Schild und dem Gestein durch Injektion von speziell angepaßten Fluidmaterialien ausgefüllt, die expandiert, schnell aushärten und kompressibel sind. Das expandierte und ausgehärtete Material verringert den Druck des nahe bei der Tunnelwand befindlichen Gesteins und überträgt auf die Tunnelabstützungen lediglich diesen reduzierten Druck. Gleichzeitig wirkt das expandierte Material derart, daß es zur Abdichtung des Tunnels gegen Wasser und Gas beiträgt. With the aid of the method according to the invention, a tunnel can be created in soft rock. It will the cavity between the shield and the rock is filled by injection of specially adapted fluid materials, that expand, harden quickly and are compressible. The expanded and hardened material reduces the pressure of the rock close to the tunnel wall and transfers it to the tunnel supports just this reduced pressure. At the same time, the expanded material acts such that it contributes to the sealing of the tunnel against water and gas.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert.An embodiment of the invention is shown below explained in more detail with reference to the figures.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Belastung durch das Gestein, die auf starre zu verschiedenen Zeiten nach der Ausschachtung installierte Abstützungen wirkt,Fig. 1 is a graphical representation of the loading of the rock, which on rigid to different Supports installed after excavation works,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Reaktionslast auf die Tunnelabstützung über der Zeit,2 shows a graph of the reaction load on the tunnel support over time,
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Belastung der Tunnelabstützung über der Zeit, wobei die Darstellung Kriterien für den Aufbau der3 shows a graph of the load on the tunnel support over time, with the Representation of criteria for building the
Tunnelabstützung verdeutlicht,Tunnel support made clear,
Fig. 4 schematisch einen Schnitt durch einen herkömmlichen Bohrkopf, wie er bei einer Tunnelvortriebsmaschine (TVM) verwendet wird,4 schematically shows a section through a conventional drilling head, as it is in a tunnel boring machine (TVM) is used,
Fig. 5 schematisch einen Schnitt durch eine TVM,5 schematically shows a section through a TBM,
wobei gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Injektion von Material außerhalb des Schildes erfolgt, undwherein according to the inventive method, the injection of material outside the Shield takes place, and
Fig. 6 eine graphische Darstellung der Belastungskurve des Gesteins (aus Fig. 1) und der reFig. 6 is a graphic representation of the load curve of the rock (from Fig. 1) and the right
sultierenden Belastung für das eingespritzte Material sowie der resultierenden Belastungskurve für die Tunnelabstützung. resulting load for the injected material and the resulting load curve for the tunnel support.
Das Tunnelbauverfahren beruht auf der gegenseitigen Beeinflussung der Reaktion des Gesteins auf Nichtbelastung und der Reaktion der Abstützung auf Belastung, wie es in den Figuren dargestellt ist. In Fig. 1 ist dargestellt, wie sich der Druck des Gesteins in Abhängigkeit von der Zeit bis zu einem minimalen Wert (Minimum) verringert, bis das Gestein unter nachfolgendem Druckanstieg zerbricht. Fig. 2 zeigt ein Beispiel dafür, daß geringe Gesteinsdeformationen vor dem plötzlichen Druckanstieg in der Tunnelabstützung zulässig sind, und wie sich der Druck in der Abstützung bis auf einen Wert P vor dem Zusammenbruch des Ge-The tunneling process is based on the mutual influence of the rock's reaction to non-loading and the response of the support to loading, as shown in the figures. In Fig. 1 shows how the pressure of the rock changes over time to a minimum value (Minimum) until the rock breaks with a subsequent increase in pressure. Fig. 2 shows an example that small rock deformations are permitted before the sudden pressure increase in the tunnel support are, and how the pressure in the support up to a value P before the collapse of the
maxMax
steins aufbaut. Die Überlagerung dieser Kurven schafft die Grundlage für eine optimale Gestaltung einer Abstützung, die zum richtigen Zeitpunkt und mit aus-stone builds up. The superposition of these curves creates the basis for an optimal design of a support, which at the right time and with sufficient
- y- ζ - y- ζ
reichender Tragfähigkeit gesetzt wird. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Die mit "a" bezeichnete Linie zeigt, daß die Berührung zwischen dem expandierenden Gestein und der Abstützung früh erfolgt und daß dabei die Abstützung zur Verhinderung eines Zusammenbruchs für große Belastungen ausgelegt werden muß. Die mit "b" bezeichnete Linie zeigt, daß die Berührung zu spät erfolgt, nämlich nach dem Zusammenbruch der freigelegten Gesteinsfläche. Die mit "c" bezeichnete Linie ist die optimale Linie und zeigt, daß die Tunnelauskleidung für eine minimale Last ausgelegt sein kann und eine große Sicherheitsspanne aufweist, wenn die Berührung zwischen dem Gestein und der Abstützung zum passenden Zeitpunkt erfolgt.sufficient carrying capacity is set. This is shown in FIG. 3. The line labeled "a" shows that the contact between the expanding rock and the support takes place early and that the support thereby must be designed for high loads to prevent collapse. The one labeled "b" Line shows that the contact is too late, namely after the collapse of the exposed rock surface. The line labeled "c" is the optimal line and shows that the tunnel lining for can be designed to have a minimal load and have a large margin of safety when the contact between the rock and the support takes place at the right time.
Bei weichem Gestein kann die Selbsthaltezeit (die Zeit zwischen dem Tunnelvortrieb und dem Zusammenbruch des nicht abgestützten' Gesteins) sehr kurz sein: Die Deformation erfolgt sehr schnell und der Schild kann durch die aufgrund des Gesteinsdruckes erzeugte Reibung unbeweglich werden (Fig. 4).In the case of soft rock, the self-holding time (the time between the tunneling and the collapse of the unsupported 'rock) be very short: the deformation takes place very quickly and the shield can be damaged by the friction generated by the rock pressure become immobile (Fig. 4).
Die Abstützung des Tunnels hinter dem Schild 1 (Fig. 4) der Tunnelvortriebsmaschine besteht normalerweise aus vorgefertigten Segmenten 2, die im montierten Zustand einen vollständigen kreisrunden Ring bilden. Normalerweise wird Zementmörtel, Kies oder ähnlich unelastisches Material 4 zwischen die Abstützung 2 und das Gestein 3 gebracht, um das notwendigen Zusammenwirken und eine gleichmäßige übertragung der Last vom Gestein auf die Abstützung zu erhalten.The support of the tunnel behind the shield 1 (Fig. 4) of the tunnel boring machine normally consists of prefabricated segments 2, which form a complete circular ring in the assembled state. Normally is cement mortar, gravel or similar inelastic material 4 between the support 2 and the rock 3 brought to the necessary interaction and an even transfer of the load from the rock to get the support.
Es ist auch möglich, die komplette Abstützröhre in situ zu gießen. Diese Abstützungen sind so steif, daß derIt is also possible to have the complete support tube in situ to pour. These supports are so stiff that the
-r- t-r- t
vom Gestein erzeugte und auf die Abstützung wirkende Druck sehr hoch sein kann (Kurve "a" der Fig. 3). Bei dem Tunnelbauverfahren wird ein bestimmtes Material verwendet, daß zwischen das Gestein und die Abstützung gebracht wird. Dieses Material, das speziell an individuelle Tunnelbauzustände angepaßt werden kann, verfestigt sich schnell, überträgt einen Teil der vom Gestein ausgehenden Last auf die Abstützung und ist verformbar (Fig. 5) .generated by the rock and acting on the support Pressure can be very high (curve "a" of Fig. 3). A certain material is used in the tunneling process used that is brought between the rock and the support. This material specially designed for individual Tunnel construction conditions can be adapted, solidifies quickly, transfers part of the rock outgoing load on the support and is deformable (Fig. 5).
Das Material 6 füllt den Hohlraum aus, der sich zwischen dem Gestein 3 und dem die Tunnelvortriebsmaschine schützenden Schild 11 bildet. Das gleiche Material 6 dringt in den Hohlraum hinter dem Schild 11 ein, der die Auskleidung 2 außen umgibt und dessen Weite der Dicke des Schildes 11 entspricht.The material 6 fills the cavity between the rock 3 and the tunnel boring machine protective shield 11 forms. The same material 6 penetrates the cavity behind the shield 11, the the lining 2 surrounds the outside and the width of which corresponds to the thickness of the shield 11.
Das Material und das Materialinjektionssystems haben die folgenden Eigenschaften:
20The material and the material injection system have the following characteristics:
20th
1. Die Deformationseigenschaften und die Festigkeit können an verschiedene Tunnelbauverhältnisse angepaßt werden und erlauben die optimale Gestaltung der TunnelabStützung, in dem die Deformation des Materials bei Bewegung des Gesteins mit allmählich anwachsender Lastübernahme auf die relativ starre Tunnelabstützung ermöglicht wird.1. The deformation properties and the strength can be adapted to different tunnel construction conditions and allow the optimal design of the tunnel support, in which the deformation of the Material when the rock moves with gradually increasing load transfer to the relatively rigid Tunnel support is made possible.
2. Das eingespritzte Material kann sich in die Hohlräume zwischen dem Schild und der Tunnelauskleidung hinein ausdehnen und diese ausfüllen.2. The injected material can settle into the cavities between the shield and the tunnel lining and fill it in.
3. Das eingespritzte Material führt nicht zu einer Erhöhung der Reibung und somit nicht zu einer Verringerung des Vortriebes. Dies wird durch geeigneten Aufbau des Schildes sowie entsprechende Maschinenausrüstungen und Systeme ermöglicht.3. The injected material does not increase the friction and thus does not decrease it of the advance. This is achieved through appropriate construction of the shield as well Machine equipment and systems.
4. Das eingespritzte Material ist stabil und haltbar und behält seine Festigkeit auch nach langer Zeit bei, um Vergrößerungen von Gesteinsdeformationen zu verhindern, wodurch die entsprechende Belastung auf die TunnelabStützung ansteigen würde.4. The injected material is stable and durable and retains its strength even after a long time in order to prevent enlargement of rock deformations, creating the corresponding stress on the tunnel support would increase.
5. Das eingespritzte Material ist nach vollständiger Einspritzung in die Hohlräume weder wasserlöslich noch gegenüber chemischen Einwirkungen empfindlich, wie sie z.B. durch Gas oder Salz, die in dem Gestein vorhanden sein könnten, verursacht werden.5. The injected material is after complete Injection into the cavities is neither water-soluble nor sensitive to chemical effects, such as caused by gas or salt that may be present in the rock.
Die Eigenschaften des einzuspritzenden Materials können nicht genauer als oben angegeben werden, ohne zuvor die Quantifikation, Beschreibung oder Spezifikation der Gesteinszustände und -eigenschaften zu kennen. Es gibt mehrere passende Materialien, wie z.B. Polyurethan, das zur Erzielung von verschiedenen Kompressibilitäten entsprechend formuliert werden kann.The properties of the material to be injected can not to be given in more detail than above without prior quantification, description or specification of the To know rock conditions and properties. There are several suitable materials, such as polyurethane, that can be formulated accordingly to achieve different compressibilities.
Die kombinierte Belastungsantwortkurve als Funktion der Zeit für das eingespritzte Material 6 und die Tunnelabstützung 2 ist in Fig. 6 dargestellt. Dabei ist die Notation wie folgt:The combined stress response curve as a function of time for the injected material 6 and the tunnel support 2 is shown in FIG. 6. The notation is as follows:
P : Stabilisierungslast: Das ist diejenigen sP: stabilization load: that's those s
Last, die für die eingespritzte Masse aufnehmen muß, um die Abstützung zu stabilisieren. Load that must be absorbed by the injected mass in order to stabilize the support.
P
O
opt P cap
P.
O
opt
- ο- ο
Optimale Gesteinslast auf die Abstützung. Optimal rock load on the support.
Äußerste Lastkapazität der Abstützung,
maximale Gesteinslast.Outrigger load capacity,
maximum rock load.
Zeitpunkt unmittelbar vor dem Zusammenbruch, bei dem die Gesteinsbelastung ein Minimum annimmt.Point in time immediately before the collapse at which the rock load entered Minimum assumes.
Zeitpunkt, zu dem die Einspritzung beginnt. Point in time at which the injection begins.
Zeitpunkt, zu dem die Abstützung die Last aufzunehmen beginnt.Point in time at which the outrigger begins to take up the load.
Für das Tunnelbauverfahren sind die folgenden Bedingungen erforderlich:The tunneling process requires the following conditions:
Das Gestein 3, durch das der Tunnel getrieben wird, steht unter Druck, wobei dieser Druck bewirkt, daß das Gestein in den Tunnelhohlraum einfällt; die Tunnelfläche wird gegen diese Deformation mit einer Auskleidung 2 verstärkt, die im Innern des Schildes 11 oder an dessen rückwärtigen Ende errichtet oder gegossen wird.The rock 3 through which the tunnel is driven is under pressure, this pressure causing that the rock falls into the tunnel cavity; the tunnel surface is against this deformation reinforced with a lining 2, which is inside the shield 11 or on its rear End is erected or poured.
Das Material, das die Hohlräume außerhalb des Schildes 11 und der Tunnelabstützung ausfüllt, hat solche Eigenschaften, die auf die Eigenschaften des mit ihm verbundenen Gesteins abgestimmt sind. Wichtige Eigenschaften des Materials sind Festigkeitszunahme in Abhängigkeit von der Zeit, Härte-, Elastik-, Kriecheigenschaften und Durchlässigkeit.The material that fills the voids outside the shield 11 and the tunnel support has those properties that are matched to the properties of the rock associated with it. Important properties of the material are the increase in strength as a function of time, hardness, Elasticity, creep properties and permeability.
Die Tunnelausschachtungsvorrichtung (im Falle einer Tunnelvortriebsmaschine: der Schneidkopf) 5,The tunnel excavation device (in the case of a tunnel boring machine: the cutting head) 5,
35Λ508Λ35Λ508Λ
der Schild 11 und die Auskleidungssegmente 2 sind derart ausgestaltet, daß sie gegeneinander abdichtend sind, um die obige Prozedur zu realisieren. Der Durchmesser des Schildes ist derart zu bemessen, daß ein ausreichender Hohlraum zwischen dem Schild und dem Gestein entsteht, um die gewünschte Dicke des eingespritzten Materials zu ergeben.the shield 11 and the lining segments 2 are designed in such a way that they are sealed against one another in order to implement the above procedure. The diameter of the shield is to be dimensioned such that there is a sufficient cavity between the shield and the rock is created to get the desired thickness of the injected material result.
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Claims (1)
dadurch gekennzeichnet,
daß der Hohlraum, der während des Vortriebs zwischen der Gesteinsfläche und einem Schild (11) sowie zwischen der Gesteinsfläche und der Tunnelabstützung entsteht, mit einem expandierenden, sich verfestigenden, verformbaren Material (6) ausgefüllt wird, das den Gesteinsdruck gegen den Schild (11) und gegen die Tunnelabstützung (2) verringert und die Gefahr der Immobilisierung des Schildes (11) aufgrund von Reibungserhöhung sowie die für die Tunnelabstützung erforderliche Kraft reduziert.Tunne! Construction method for use in soft rock,
characterized,
that the cavity that arises during the advance between the rock surface and a shield (11) and between the rock surface and the tunnel support is filled with an expanding, solidifying, deformable material (6) which the rock pressure against the shield (11) and against the tunnel support (2) and reduces the risk of immobilization of the shield (11) due to increased friction and the force required for the tunnel support.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8130 | Withdrawal |